摸到宇宙線能譜的“膝”又抓住了“肘”
拉索在宇宙線起源探索上又取得一項(xiàng)關(guān)鍵進(jìn)展
中國(guó)藏族網(wǎng)通訊 3月28日，記者從中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所獲悉，位于四川省甘孜藏族自治州稻城縣的高海拔宇宙線觀測(cè)站“拉索”（LHAASO）在宇宙線起源探索上又取得一項(xiàng)關(guān)鍵進(jìn)展——以前所未有的精度，測(cè)量了“膝”區(qū)宇宙線能譜的變化，并首次在該能量區(qū)域內(nèi)，觀測(cè)到宇宙線核子成分的平均質(zhì)量分布呈現(xiàn)出的“肘”狀結(jié)構(gòu)。
“膝”是宇宙線的能譜（宇宙線數(shù)量在粒子能量上的分布）在4千萬(wàn)億電子伏附近呈現(xiàn)出的一個(gè)拐折結(jié)構(gòu)，形狀類(lèi)似人體膝關(guān)節(jié)，“膝”的成因之謎困擾科學(xué)家近70年。此次發(fā)現(xiàn)提供了新線索，被審稿人稱為“領(lǐng)域重要的里程碑”，為進(jìn)一步揭開(kāi)宇宙線起源之謎打開(kāi)新大門(mén)。
3月26日，相關(guān)文章以編輯推薦亮點(diǎn)文章的形式在《物理評(píng)論快報(bào)》（《Physical Review Letters》）上在線發(fā)表。該工作由中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所牽頭的“拉索”國(guó)際合作組完成。論文通訊作者為中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員張恒英、何會(huì)海，以及山東大學(xué)前沿交叉科學(xué)青島研究院粒子科學(xué)技術(shù)研究中心教授馮存峰。
“膝”為何重要？
宇宙線是從外太空來(lái)的帶電粒子，如同夜空中的流星，不斷以驚人的高速撞擊著地球，它的起源是當(dāng)代天體物理學(xué)最重大的前沿科學(xué)問(wèn)題之一，也是“拉索”的核心科學(xué)目標(biāo)。
宇宙線的能譜，就像一把解答宇宙線起源之謎的“鑰匙”，其變化密切關(guān)聯(lián)著宇宙線的起源及其穿越宇宙空間的方式。此前，“拉索”在全球首次找到能量高于1億億電子伏的宇宙線的起源天體，正是以“膝”為標(biāo)——人類(lèi)第一次在銀河系找到能量超過(guò)“膝”的宇宙線源，也就意味著，有天體把宇宙線加速到這么高能量，讓能量從“膝”以下，升高到“膝”的10倍。
那么，“膝”從何而來(lái)？馮存峰介紹，目前主要的一類(lèi)模型，認(rèn)為“膝”與宇宙線核子的電荷相關(guān)，比如，宇宙線源的加速能力存在上限，從而導(dǎo)致宇宙線能譜在上限處發(fā)生拐折；還有一類(lèi)模型認(rèn)為，其與宇宙線核子的質(zhì)量數(shù)相關(guān)，當(dāng)宇宙線能量超過(guò)一定閾值后，會(huì)打開(kāi)一種新的反應(yīng)道或產(chǎn)生新的粒子，引起宇宙線能量耗散速度加快，導(dǎo)致能譜的拐折。
如何檢驗(yàn)這些“答案”？馮存峰說(shuō)：“可以測(cè)量宇宙線不同成分在‘膝’處的能量?！比欢?，科學(xué)家至今得到的“膝”區(qū)宇宙線成分的資料有限，因此，這些模型還都屬于“假說(shuō)”，需要更多成分測(cè)量信息對(duì)它們進(jìn)行驗(yàn)證。
解析宇宙線“碎片”
當(dāng)高能宇宙線穿透大氣層到達(dá)地球時(shí)，與大氣分子發(fā)生碰撞并碎裂，只留下零散的“碎片”落入探測(cè)網(wǎng)。借助這些“碎片”，可以推算出原初粒子的信息。
坐落在海拔4410米的稻城海子山上的“拉索”，部署了包括5216個(gè)電磁粒子探測(cè)器和1188個(gè)繆子探測(cè)器組成的一平方公里地面簇射粒子探測(cè)器陣列、7.8萬(wàn)平方米水切倫科夫探測(cè)器陣列以及18臺(tái)廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡。這樣的復(fù)合式地面粒子探測(cè)器陣列，能很好地捕捉到“碎片”信號(hào)，包括帶電的電磁粒子和穿透力極強(qiáng)的繆子。
張恒英介紹，捕捉到大量“碎片”后，研究團(tuán)隊(duì)在“膝”區(qū)宇宙線簇射發(fā)展的極大處，通過(guò)組合電磁粒子和繆子信息，實(shí)現(xiàn)“量能器”式能量測(cè)量，顯著降低了地面間接實(shí)驗(yàn)中能量測(cè)量對(duì)宇宙射線成分和相互作用模型的依賴，大幅提高了能量測(cè)量的精度，給出了目前國(guó)際上最準(zhǔn)確的“膝”區(qū)宇宙線能譜測(cè)量結(jié)果。同時(shí)，構(gòu)造了一個(gè)對(duì)宇宙線平均質(zhì)量敏感的“秤”，精確稱量了“膝”區(qū)宇宙線的平均質(zhì)量，揭示了“膝”區(qū)宇宙線平均質(zhì)量譜中前所未有的“肘”狀結(jié)構(gòu)。
“我們還發(fā)現(xiàn)，在能譜中發(fā)生拐折的宇宙線，主要由氫核和氦核等輕質(zhì)成分構(gòu)成?！睆埡阌⒄f(shuō)?？梢哉f(shuō)，此次成果為科學(xué)家研究“膝”區(qū)宇宙線的起源開(kāi)辟了新的途徑，是宇宙線研究領(lǐng)域的重大突破。未來(lái)，“膝”的成因乃至宇宙線的起源，有望加快“解密”。